數據中心配電能效精細化建設策略研究與趨勢分析

任運業

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：通過分析用戶需求、建設和運維等多方對數據中心建設的要求；結合國家政策、數據中心發展趨勢，創新性地引入關鍵因素多角度分析法。同時系統性地提出數據中心高質量發展中如何進行精細化建設的策略。

關鍵詞：數據中心；數字化；精細化；上架率；PUE

0引言

近年來，全球數字化轉型帶來了數據的爆炸式增長。數據中心作為數據的載體，承載了千行百業數字化轉型信息系統基礎的重任，已經成為社會不可或que的“數字底座"。在國家十四五規劃、新基建、東數西算與行業數字化的驅動下，數據中心進入持續高速發展期；同時也正由高速發展向高質量發展全面演進。數據中心需面對需求多樣化、質量高要求、運營智能化和建設綠色低碳等多種重要因素，其精細化建設變得越來越重要。

1需求分析

數據中心的精細化建設需要對政策與趨勢、用戶需求和建設與運維要求進行綜合分析。

1.1政策與趨勢分析

目前，數據中心在規模化發展的基礎上，其布局和發展進入了政策和行業驅動的新階段。首先，一體化大數據中心政策推動數據中心布局優化，促進數據中心協同發展。全國一體化大數據中心、新型數據中心等政策文件的出臺及東數西算工程的實施，為數據中心協同、一體化發展指明方向。數據中心的布局應結合國家的政策進行統籌和適度集約，并根據建設的需求對布局不斷優化。其次，新型數據中心是數據中心高質量發展的重要方向。高技術、高算力、高能效和高安全成為信息數據中心的新特征，同時也提出了數云協同、數網協同和云邊協同等協同新要求。通過對以上重要政策和發展趨勢的分析掌握，能在數據中心的布局優化、網絡建設、算力配置、產業協同、綠色低碳和安全可信等方面更好地把控重點和關鍵點。

1.2用戶需求分析

首先，我國數據中心的用戶需求迎來了行業增長、技術驅動和區域轉移新機遇。

①數據中心機架規模持續穩步增長。大型以上數據中心規模增長迅速，2021年底我國在用數據中心機架規模近五年年均復合增速超過30%。

②儲能、蓄冷、高密度、算力網絡、智能運維、超融合架構等技術的創新，加速推動數據中心向大型化、智能化、綠色化方向發展。

③東數西算工程的實施，推動了市場熱點的新布局和區域轉移。

其次，用戶需求也面臨著增速放緩、需求轉變和競爭bai熱化的挑戰。

①互聯網行業用戶仍占據主導地位，IDC行業與互聯網行業發展呈現共振效應；但市場飽和度變大，增速已放緩。

②用戶需求由傳統IDC業務的服務器租用為主，逐步轉變為企業上云對算、存力和運力的不同需求。

③運營商、第三方及互聯網企業數據中心業務得到規模發展，行業的競爭加劇。

再次，用戶需求需要直面多樣化新趨勢。用戶的需求呈現出了以下新特點：

①安全可靠要求。黨政軍、金融等用戶對安全性、可靠性提出了更高的要求，不僅要求基礎設施安全、信息安全、網絡安全，對安全專享也提出更高的要求。

②定制化需求。根據用戶對算力、網絡、存儲的不同需求，要求數據中心具備一定的定制化能力。滿足不同功率、機架數、基礎設施、網絡、彈性和安全的要求。

③快速上架。標準化與定制化共存。標準化推動快速上架對用戶和建設方均有益，不僅能滿足用戶業務快速啟動的需求，也有利于建設方對上架率的控制，滿足各級部門的考核。

④智能化提升。金融、政企等部分用戶要求快速、實時掌握自有設備及相關基礎設施信息。

⑤云需求變大。中小型用戶逐漸向云遷移，算力需求迅速發展，對云需求越來越大。其中，AI等高算力需求增加顯著，對配套設施也提出更高要求。

⑥高性價比。功能相近的情況下，大規模用戶對成本會越來越重視，低PUE的綠色數據中心不僅節約能源，還擁有更低的成本，對大規模用戶具備很好的吸引力。

1.3建設與運維要求

數據中心的方案應重點分析滿足建設的需求和運營維護的需要。包括以下方面：

①滿足綠色低碳。實現PUE、WUE（水資源利用率）等綠色節能指標，系統安全可靠，便于后期運維。

②降低TCO（總擁有成本）。綜合考慮前期投資和后期運維費用，在滿足綠色低碳、用戶需求的前提下，實現整體TCO*低。

③規劃與定制結合。機房統一規劃不能滿足部分用戶定制化需求，對于需要物理安全專享需求的用戶，后期改造難度大、浪費機柜位置、不美觀，要求分期建設、規劃與定制結合，減少后期改造，滿足各類用戶需求。

④提高機架利用率。可以通過機架利用率=可用機架數/總機架數進行測算。高機架利用率有利于提高投資效益，用戶機架需求變化、規劃分配不合理都會導致零散機架增多，難以后續使用的情況，可通過合理規劃機房布局、分配用戶區域方法提升機架利用率。

⑤提高上架率。合理分期配置和建設，配合高機架利用率，有利于上架率的提升。提高上架率是企業和社會資源的節約。國家也在“東數西算"中，要求樞紐節點的上架率大于等于65%。

⑥提升負載率。設計時進行合理的計算，根據用戶對功率需求特點進行合理的分配，并預留低壓端子，剩余容量通過分布式不間斷電源方式，實現適度的彈性，即滿足負載率要求，又滿足用戶彈性需求。

2數據中心精細化建設策略研究

2.1滿足統籌要求

數據中心將形成國家樞紐節點、省數據中心、邊緣數據中心的梯次布局。首先，建設策略應滿足國家統籌布局的要求，對擬選址所在區域的網絡、能源、算力、數據、應用進行調研，確保符合國家，當地政策要求和數字經濟發展趨勢。其次，根據目標用戶及其業務特點，選擇與其適配的機房標準和機房等級進行建設，如有必要，可將不同等級的機房分區建設。

2.2用戶需求驅動

根據用戶合同、協議、意向及目標用戶群分析，合理預測數據中心總體規模，確保總體規模與用戶需求相匹配。考慮到用戶需求的不確定性，數據中心的建設和配置可采用分期建設。前期建設確定性需求和少量不確定需求，并預留機房空間進行定制化建設，后期循環前期過程，遇到重大變化時及時糾偏。

2.3精細化方案選擇

2.3.1關鍵因素多角度分析法

關鍵因素多角度分析法結合技術分析和工程實踐，針對數據中心的精細化建設提出關鍵因素多角度分析法。該分析方法是主要聚焦用戶需求和建設方案兩大方面；根據滿足需求和對建設方案影響的不同，重點考慮部分數據中心精細化建設的關鍵因素；通過分析和優化調整，實現建設方案的精細化。該分析法示意如圖1所示。

圖1關鍵因素多角度分析法示意圖

其中，用戶需求方面重點聚焦在彈性配置、快速交付、運維信息共享和安全專享等關鍵因素。目前，用戶需求主要分為傳統IDC業務和上云服務業務，但兩種業務對數據中心建設實現的要求和成本影響差異較大。上云服務業務能很好地實現彈性配置、運維信息共享和快速交付，但其安全專享比例低；傳統IDC業務安全專享比例高，但彈性配置、運維信息共享和快速交付較差。因此，同時考慮上云服務需求增加迅速，數據中心機房在建設和配置時，應結合傳統IDC業務和上云服務業務的不同比重，綜合整體的建設成本和周期，設置目標值和實現的*佳值。例如，客戶對快速交付期望值肯定是越快越好，但可能帶來的是建設成本的增加和資源配置的不合理。可以針對上云業務實現天或周交付為目標，傳統IDC以月或季度為目標，再按上云業務和IDC業務的比例確定建設方案，實現快速交付的*佳值。

建設方案方面需重點關注綠色低碳PUE、智慧運營、可定制程度和TCO控制等因素。根據國家標準、企業的要求，確定關鍵因素的范圍和目標值。例如，數據中心能效PUE應 滿 足 即 將 實 施 的 國 家 標 準 中 要 求：1級 * 高PUE1.20，2級PUE1.30，3級 限 定 值1.50。可 將1.20-1.50設為關鍵因素的數值范圍，建設方案的設計值作為目標值。

該分析方法應用時，*外圍設置為客戶或行業的理想值，第二圈設置為企業的目標值。建設方案的關鍵因素的數值測算出來后在圖上顯示，隨后可針對性地進行判斷和優化調整。

如 圖1中 模 型 數 值 所 示，其 快 速 交 付 優 于 目 標 值；PUE、可定制率和TCO偏差符合目標值；智慧運營、運維信息共享、彈性比例和安全專享比例明顯低于目標值。那么，下一步結合用戶需求的具體業務類型和比重，結合建設方案的實施難度，加上對建設成本投資和TCO的整體控制，可以針對性地優化建設方案，或者調整安全專享比例的目標值。通過多次優化后，得到相對優化和合理的建設方案。

2.3.2建設方案的精細化

首先，建設方案應堅持綠色發展，滿足PUE的要求。

①通過節能新產品、新技術、新工藝的應用，充分利用風、光等可再生能源，輔以儲能技術、余熱回收等手段，實現數據中心綠色低碳的目標。數據中心合理的PUE實現TCO*低才更佳，水資源缺乏的地區應嚴控WUE。數據中心的綠色發展應結合發展趨勢，高效利用資源。綠色評價會從PUE逐步走向xUE，即包含1CUE1（碳使用效率）、PUE、WUE、GUE（出電率）等多維的評價體系。

②根據用戶需求降低能耗提高電源利用率。合理預估總用電和各區域用電容量，取定合理的綜合系數，匹配配電系統設備容量；通過電源和暖通技術實現機房間、模塊間、模塊內的功率調整；通過預留低壓端子方式便于后期使用剩余容量。運營過程中應合理分配用戶區域；并對用電情況進行監控，提高各區域負載率。

其次，建設方案要提高數據中心智能運營水平。對運維數據輔以AI算法，實時分析和處理運維問題。通過對數據中心智能化系統升級，向用戶推送其相關的告警信息、能耗信息、動環信息；實時呈現和查詢，便于用戶快速了解機房和設備情況。

再次，建設方案要平衡和控制可定制率。合理地實現可定制化和標準化并存，同時滿足可定制、彈性化和快速交付。

①采用數據中心模塊化設計并提高數據中心預制化水平和彈性能力，滿足用戶業務快速上架的要求。

②適量擴大數據中心定制化服務范圍，不僅能滿足用戶電源、暖通、工藝和布線的要求，還能擴展網絡、信息安全、云定制的相關功能，實現一套完整的數據中心用戶解決方案。

③根據用戶有無物理安全專享需求不同可分為兩類采用分樓棟、分樓層、分區域設置。為提高機架利用率和上架率，無物理安全專享的機房可根據其預測規模分期建設，并設置合理的銷售策略，減少用戶業務變化后零散機架的產生。有物理安全專享區域涉及機房出租將影響機架利用率。在滿足消防與用戶要求的情況下，選擇合理的安全專享方案、優化用戶組合是提高機架利用率和上架率的關鍵。

然后，建設方案要細化和嚴控TCO。對方案進行技術分析和投資效益分析，在滿足綠色低碳、用戶需求的前提下，實現整體TCO*低。

*后，建設方案可逐步實施全流程數字化服務。現有數據中心智能化系統主要為系統運行和維護服務，未來可面向設計、實施、驗收、運維、運營的全流程數字化服務。

3安科瑞數據中心綜合能效管理系統

3.1數據中心精密配電監控系統

3.1.1主頁及系統介紹

開機進入主頁，包含進線參數、開關狀態、出線參數、報警查詢等功能，按按鈕可進入各功能界面查看。

數據中心IT服務器配電傳統采用精密配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設備不便，為了節省面積，智能小母線方案由于不占用機房面積、可按需靈活插拔，受到很多數據中心的青睞，被越來越多的應用。

安科瑞智能母線監控產品分為交流和直流母線監控兩類，包括始端箱監測模塊、插接箱監測模塊以及觸摸屏，另外還可以搭配母線槽連接器紅外測溫模塊用于監測母線槽的運行溫度，確保母線槽配電安全。通過標準網線手拉手簡單組網，可以實現任意插接箱檢修或更換時不影響其他在線運行的插接箱的數據上傳通訊。

3.1.2系統硬件配置

3.2變電站運維系統

3.2.1系統結構及介紹

Acrel-1000變電站綜合自動化監控系統在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網絡系統實現連接。站控層設備包括監控主機，提供站內運行的人機聯系界面，實現管理控制間隔層設備等功能，形成全站監控，并與遠方監控、調度通信；間隔層由若干個二次子系統組成，在站控層及站控層網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監控功能。

針對工程具體情況，設計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格比*，監控系統由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網絡結構，站控層網絡采用TCP/IP協議的以太網。站控層網絡采用單網雙機熱備配置。

3.2.2系統硬件配置

3.3智能小母線監測系統

3.3.1系統概述

數據中心IT服務器配電傳統采用精密配電柜，占用空間較大，配電線纜多，新增設備不便，為了節省面積，智能小母線方案由于不占用機房面積、可按需靈活插拔，受到很多數據中心的青睞，被越來越多的應用。

安科瑞智能母線監控產品分為交流和直流母線監控兩類，包括始端箱監測模塊、插接箱監測模塊以及觸摸屏，另外還可以搭配母線槽連接器紅外測溫模塊用于監測母線槽的運行溫度，確保母線槽配電安全。通過標準網線手拉手簡單組網，可以實現任意插接箱檢修或更換時不影響其他在線運行的插接箱的數據上傳通訊。

3.3.2系統硬件配置

3.4蓄電池監測系統

3.4.1系統介紹

安科瑞公司ABAT系列鉛酸蓄電池在線監測系統是在線電池監測產品，可以提前對失效的鉛酸蓄電池進行預警及電池均衡，符合ANSI/TIA-942標準要求。

??該系統具有監測電池的電壓、內阻與內部溫度功能，安裝、維護與接入非常方便。系統主要由ABAT-S模塊、ABAT-C模塊及ABAT-M采集器組成，可通過采集器查詢告警與實時數據、設置參數等，可選配監測平臺實現網絡化集中管理。

3.4.2系統硬件配置

3.5動環監控系統

3.5.1系統介紹及功能

通過數據中心動環監控系統，實現了對數據中心的門禁狀態、水浸狀態，煙霧狀態，視頻狀態，環境狀態，高低壓配電狀態，設備運行狀態進行實時監測，并進行實時報警，保障數據中心正常運行，避免運行環境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，減少配電室粗放式管理導致成本過高。同時實現動環監控并對各用能耗能進行能效分析，幫助用戶實現用能效率的優化。

系統功能

1）展示當前數據中心總能耗，IT能耗，空調能耗，及其他能耗并且計算出當前數據中心實時PUE值，通過儀表盤形式直觀展示。

2）選擇查看數據中心的中低壓配電系統主接線圖，并在一次圖顯示配電系統當前遙測、遙信數據和狀態。實時監測各配電柜的電壓、電流等電力參數，變電站的溫濕度、煙感、水浸、門禁等環境情況。

3）電氣接點溫度實時監測，斷路器觸頭、觸臂、母排和線纜連接等位置安裝無線測溫傳感器監測接點溫度，便于提前發現溫度異常導致的事故。

4）監測各變壓器各項參數，包括負載率、頻率、功率因數、三相不平衡度等，并且顯示歷時曲線圖，數據實時變化。幫助用戶直

5）電能質量在線監測，可以監測電流和電壓諧波畸變率、電壓暫升暫降暫中斷等暫態事件記錄、ITIC容忍曲線等

6）系統采集UPS輸入、輸出端和旁路三相電壓、電流、有功功率、功率因數頻率，同時監測UPS溫度、蓄電池電壓、當前負載下的剩余時間等數據。

7）展示單體電池電壓、內阻和溫度，預測電池帶載時剩余時間，每節電池數據均可以設置異常報警，及時發現蓄電池異常。

8）展示精密配電柜內進線和饋線回路電氣參數，包括電流電壓功率電能以及開關狀態，并可以對數據進行報警設置和分級，數據取自精密配電柜測量模塊。

9）展示智能小母線的始端箱和插接箱電氣參數，包括電流電壓、開關狀態、插接點溫度，并對數據進行報警設置和分級。

10）通過平面圖顯示數據中心能源分布，設備分布情況，并顯示設備能耗數據，點擊平面圖上設備可以進入具體設備監控界面。

11）實時顯示當前數據中心PUE值以及歷史PUE曲線。并且顯示各分項用能的用能情況及用能排行。監測各變壓器運行及負載情況，給出本月變壓器輸出電能排行。

12）顯示電能消耗日/月/年報表，并可對具體回路選擇曲線圖、餅圖進行展示。對數據中心用電數據進行同比、環比分析比較，查看用電趨勢。

13）監測精密空調的回風溫濕度，出回水溫度，并可以設定精密空調的溫濕度，達到更好的控制效果。

14）監測數據中心溫濕度、開關門、水浸、煙霧、噪聲、氣體濃度狀態等參數。曲線圖直觀明了，同時支持歷史數據查詢

15）通過列表顯示各類報警事件數量，通過柱狀圖顯示逐日報警數量，提供報警總數以及增長趨勢。

16）維管理功能，可針對數據中心各主要設備進行巡檢派工，消缺，搶修等維護工作。

4結語

我國的數據中心正向新型數據中心演進，數據中心的建設也面臨了市場、技術、運營和維護等多方的新要求。其中建設方案和策略的選擇對投資和運營影響巨大，因此，需要重視提高數據中心建設的精細化水平。通過加強建設管理，才能更好地在確保綠色和安全的前提下，應對用戶需求的新變化；并為用戶提供泛在、智能、可持續的云服務能力，承載更多行業的數字化轉型需求。

參考文獻:

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【4】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版

作者簡介：任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。